黃 炎，劉文濤，馬 潔，吳陶玉，田云琴，劉 兵

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

地下水循環(huán)系統(tǒng)的重要特征，一個(gè)就是交替更新的過(guò)程，循環(huán)的模式可以直觀的分為垂直循環(huán)模式、水平模式還有兩者混合的模式。針對(duì)嚴(yán)重干旱的瑪河流域，其如何進(jìn)行循環(huán)，超采行為瑪河流域的水循環(huán)過(guò)程就會(huì)受到影響，需要進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)考察來(lái)尋求答案。而新疆地區(qū)近年來(lái)出現(xiàn)的一系列的變化，讓我們更加需要建立相關(guān)的模型進(jìn)行更多方面的研究。闡述地表-地下水轉(zhuǎn)化原理，概括瑪河流域的地下水地表水轉(zhuǎn)化的種種神奇，建立流域水循環(huán)模型具有現(xiàn)實(shí)必要性。

1 瑪河流域的特征

1.1 瑪河流域水文、地質(zhì)、氣象等自然現(xiàn)象

瑪納斯河流域簡(jiǎn)稱瑪河流域，地處新疆天山北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣。范圍相對(duì)廣闊，其流域面積約有2.43萬(wàn)km2。這其中并非全是綠色平原，平原和山區(qū)基本各占一半面積。地勢(shì)是南高北低,對(duì)于最高的南部山區(qū)而言，其海拔高度可以達(dá)到5242.5 m左右。海拔1000~3600 m的是中低山區(qū)，區(qū)域平原的海拔在300~500 m之間，站在稍高的地方都可以一覽無(wú)遺,其中一些不能耕種的除外，可以被有效利用的土地約有46.6萬(wàn)m2左右?，敽恿饔蛴衅漭^為豐富的資源，其豐富之處在于它的水資源，共有6條內(nèi)陸河流為其供應(yīng)。自東向西分別為塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河、大南溝河、巴音溝河，這些河流均發(fā)源于天山北麓依連哈比爾尕山脈，并由南向北流入準(zhǔn)噶爾盆地，其水資源總量達(dá)到了25.43億m3左右。先不說(shuō)地下水的循環(huán)帶來(lái)的滋潤(rùn)，單單這河川徑流總量就大概有22.91億m3。當(dāng)然地下水的資源也是比較豐富的，其地下水資源的總量雖然比徑流少許多，但也有11.97億m3左右。但是，瑪納斯河流域地處歐亞腹地遠(yuǎn)離海洋，同時(shí)因其地勢(shì)為南高北低(山脊海拔多在3600 m以上),所以受到海洋的氣候影響相對(duì)較小，其年降水量也很少，據(jù)統(tǒng)計(jì)大概只有110~200 mm而已。但是其年蒸發(fā)量卻很大，超出降水量的十倍左右，數(shù)值在1600~2000 mm之間，按照對(duì)氣候的分類，屬于典型的大陸性干旱氣候。

對(duì)于瑪河流域而言，它的變化是十分明顯的。在1987年之后，相應(yīng)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明隨著溫度急劇的上升，降水量也明顯增加。所以在20世紀(jì)70年代這一段的時(shí)間以來(lái)，瑪河流域流量的總體情況又形成了上升的趨勢(shì)，導(dǎo)致了冰雪融化的情況加劇，這也是不可避免的結(jié)果。

1.2 人為因素對(duì)瑪河流域的影響

整體的降水量少，溫度也漸漸的呈上升趨勢(shì)，帶來(lái)的冰雪融化現(xiàn)象更加明顯了，因而對(duì)瑪河流域氣墊層產(chǎn)生了相應(yīng)的影響。其中自然原因只是占據(jù)一部分，不能忽略的另一部分是人為因素。隨著人類進(jìn)行的事業(yè)活動(dòng)，人口的急劇增長(zhǎng)，以及一些工廠的經(jīng)濟(jì)發(fā)展等等，這些因素影響了大氣的下墊面，下墊面的變化導(dǎo)致瑪河流域問(wèn)題加劇，從而改變?cè)械淖匀滑F(xiàn)象。

2 瑪河流域補(bǔ)排關(guān)系

看到瑪河流域這樣干旱的地區(qū)，氣候變化對(duì)自然生生不息的境況造成了嚴(yán)重的破壞，我們不禁要問(wèn)瑪河流域的補(bǔ)排與循環(huán)又是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？

2.1 瑪河流域地下水之間的補(bǔ)給方式

瑪河流域水資源的補(bǔ)給方式大部分還是比較一致的，主要都是一個(gè)源頭，來(lái)自于山區(qū)大氣降水。其中瑪河流域的地表水資源55.0%~68.0%都是來(lái)自上游大氣降水，其余的一小部分則來(lái)自于地下水。單單看地下水資源方面,比較淺一點(diǎn)的地下水主要依靠河道之間進(jìn)行的滲漏給予，還有山前側(cè)向的補(bǔ)給。按照降水量的補(bǔ)給而言，其通過(guò)降水并且直接吸收滲透提供的補(bǔ)給大概有4.0%~18.0%，異常得少。比較深一點(diǎn)的地下水的補(bǔ)給方式相對(duì)單一，主要有垂直補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給。這樣受地表水和降水入滲補(bǔ)給的方式就顯得十分微弱。所以綜合來(lái)看，瑪河流域也是遵循大自然的補(bǔ)給方式進(jìn)行，只不過(guò)相對(duì)于其他的流域而言，顯得比較脆弱?，敽恿饔虻难a(bǔ)給是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，流域地表水與地下水中途經(jīng)歷了三次轉(zhuǎn)化。首先離不開(kāi)的是大氣降水，降水在山區(qū)慢慢的匯聚，最終形成了河流，河水以滲透的補(bǔ)給方式垂直轉(zhuǎn)化為地下水資源；水順勢(shì)往下游匯集到最低處的平原區(qū)。河水的滲漏會(huì)不間斷的持續(xù)下去，最后會(huì)向地下水進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。當(dāng)河水水量超出沖積扇并溢出時(shí)，這些地下水就會(huì)形成河流；河水又以自己的獨(dú)特方式，像農(nóng)民用水澆灌一樣的方式間接性的補(bǔ)給地下水，產(chǎn)生了河流的補(bǔ)給。所以不管是人類的活動(dòng)還是自然蒸發(fā)，水資源都會(huì)慢慢消耗?？傮w而言,大自然的補(bǔ)給和調(diào)節(jié)、人類的參與，有時(shí)會(huì)給補(bǔ)給的方式帶來(lái)比較嚴(yán)重的影響。

2.2 流域間地下水循環(huán)的轉(zhuǎn)化條件

按照科學(xué)的理念，形成水循環(huán)的內(nèi)在因素很簡(jiǎn)單，就是水在沒(méi)有其他影響的通常環(huán)境條件下，在氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化；太陽(yáng)會(huì)直接影響水的蒸發(fā)，外界壓力的過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使水的形態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)然影響水循環(huán)的因素還有很多?？偨Y(jié)幾個(gè)方面就是氣候的影響、地理的變化、以及人為的改變。大自然循環(huán)的條件是這樣，但是瑪河流域現(xiàn)在遇到的問(wèn)題是循環(huán)條件已經(jīng)出現(xiàn)了問(wèn)題，這也導(dǎo)致了相應(yīng)循環(huán)的難以完成。所以面對(duì)這樣的現(xiàn)狀需要進(jìn)行其他改善工作，以更好地完成地下水循環(huán)的轉(zhuǎn)化——以人工為主導(dǎo)。

人工可以使得自然的垂直循環(huán)進(jìn)行得更加充沛，蒸發(fā)下滲量增強(qiáng)，水平消耗流通量減少，流失量同時(shí)會(huì)減少，使得干旱的問(wèn)題得以適當(dāng)解決，間接形成了循環(huán)條件。

3 補(bǔ)排模型原理

瑪河流域通過(guò)模型可以讓人更加直觀地看到補(bǔ)排的相關(guān)自然現(xiàn)象。當(dāng)然這并不是憑空想象的去建立相應(yīng)的三維模型，也不是所有的流域模型都是一致的。模型的建立使得很多難以解決的問(wèn)題已經(jīng)得到了妥善解決，所以建立瑪河流域補(bǔ)排模型是很有必要的，也是有其本身相應(yīng)的原理的，通過(guò)科學(xué)計(jì)算方法，讓這些數(shù)據(jù)更加的接近于瑪河流域自然的現(xiàn)實(shí)狀況，通過(guò)Visual Modflow軟件數(shù)據(jù)而進(jìn)行相應(yīng)模擬數(shù)學(xué)原理如下：

其中：D為滲透流域K為含水層的滲透系數(shù)（m/θ）；H為地下水水頭值（m）；W為源頭等。就是通過(guò)這樣精確的數(shù)據(jù)，該模型將瑪河流域大概的長(zhǎng)度，寬度各個(gè)方面都已經(jīng)大致的標(biāo)注出來(lái)，通過(guò)很多以前探究瑪河流域的人留下的參考數(shù)據(jù)總結(jié)的內(nèi)容進(jìn)行分析，以中間值的參考值明確瑪河流域補(bǔ)排循環(huán)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再結(jié)合其他流域的相應(yīng)循環(huán)建立三維圖模型。

4 補(bǔ)排模型的研究探討

很多人因?yàn)榭吹浆敽恿饔虻默F(xiàn)象，懷疑自然界的循環(huán)補(bǔ)排的系統(tǒng)是否出現(xiàn)了問(wèn)題，但是到瑪河流域現(xiàn)場(chǎng)去觀察委實(shí)不是很方便，所以就很難對(duì)瑪河流域進(jìn)行徹底的研究和觀察，但Visual Modflow三維模型的確立好像真的解決了這樣的一個(gè)難題，值得去研究，那么這樣的模型研究者可以從中發(fā)現(xiàn)瑪河流域哪些方面的問(wèn)題呢？

4.1 直觀展示其地形外界的狀況

一直對(duì)于瑪河流域相應(yīng)的地勢(shì)狀況只是數(shù)據(jù)上的“看見(jiàn)”，但是這樣的一個(gè)濃縮的模型可以讓人更加直觀地“看見(jiàn)”本質(zhì)，通過(guò)數(shù)據(jù)建立的瑪河流域地勢(shì)明顯呈現(xiàn)南高北低的趨勢(shì)，一邊像是陡坡而另一邊仿佛是低谷只是稍微漏出了一個(gè)小角罷了，這樣看過(guò)來(lái)，北面雖然積水量的程度看似比較好，但是卻因受到南邊湖水的影響變得很??；而南邊則相反，雖然受到的影響相對(duì)大一些，可是滲透量又稍微有點(diǎn)不足，以至于諸多影響了瑪河流域的種種問(wèn)題不斷出現(xiàn)。這是模型給予外部的更直觀地研究。

4.2 直觀發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部問(wèn)題

模型研究帶給我們更直觀的瑪河流域外部的體現(xiàn)，但是這只是一部分，要想真正的解決實(shí)際問(wèn)題，就需要從內(nèi)部進(jìn)行直觀的分析了解，這樣才能更加熟知和了解。

通過(guò)不同的顏色，流線的建立讓我們更加熟悉地表的構(gòu)質(zhì)情況，再通過(guò)相應(yīng)一些水質(zhì)的方向更加直觀看到瑪河流域的局面動(dòng)態(tài)。首先直接建立的是一個(gè)相應(yīng)循環(huán)補(bǔ)排的觀念，再深入看這樣的模型時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)因?yàn)榈貏?shì)的影響，補(bǔ)排的方式有點(diǎn)略微的變動(dòng)。總之看到這樣的內(nèi)部構(gòu)成，讓我們對(duì)瑪河流域的補(bǔ)排更多了幾分認(rèn)識(shí)或者說(shuō)不再只是理論，讓研究者更加了解這樣的結(jié)構(gòu)與相關(guān)的問(wèn)題。

雖然只是很簡(jiǎn)單的表述了對(duì)其瑪河流域的補(bǔ)排模型，但是這兩者可以看到，模型可以方便研究。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于研究一個(gè)大型的瑪河流域全程，還不如去建立一個(gè)模型來(lái)的更加的實(shí)在一些。從現(xiàn)在研究的課題上來(lái)講，建立一個(gè)補(bǔ)排模型對(duì)于瑪河流域還是很重要的，因?yàn)榭吹降氖乾敽恿饔蜷L(zhǎng)期存在的問(wèn)題，所以必須要盡快想辦法解決才對(duì)，如果找不到解決的辦法話，將帶來(lái)不堪設(shè)想的后果，因此，這一項(xiàng)對(duì)于瑪河流域模型的研究，讓我們看到了瑪河流域存在的問(wèn)題，更加深入地了解了瑪河流域的補(bǔ)排循環(huán)的方式，有時(shí)候模型比起現(xiàn)實(shí)情況去研究來(lái)的更加直觀一些。科學(xué)的建模方式，從外到內(nèi)更加的直觀去進(jìn)行了解。

因?yàn)檫@樣的模型會(huì)帶來(lái)更多對(duì)于瑪河流域更好的發(fā)展建議，也因?yàn)檫@樣的一次研究，使得以后的瑪河流域會(huì)有重要的改變，讓大自然更加和諧與進(jìn)步。相信不僅如此，在以后的研究過(guò)程當(dāng)中，模型的研究都會(huì)是一個(gè)好的選擇，它將更直觀的引領(lǐng)時(shí)代發(fā)展。

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